- 微小皺紋可顯著降低電子設備的熱導率。
- 研究人員開發新方法直接映射熱量傳導幹擾。
- 皺紋導致熱量以不對稱方式擴散，形成熱瓶頸。
- 新技術有助於識別電子設備過熱的微觀特徵。
微小至僅僅一微米的皺紋，卻能成為電子設備內部熱量傳導的主要障礙。麻省理工學院的研究人員在其最新的研究中顯示，這種微小缺陷可使局部熱導率降低約四至五倍，從而使熱量難以逸散，潛在地形成危險的熱點，並使熱量在相反方向的傳播方式發生改變。這一發現揭示了微觀缺陷如何在日益強大的電子設備內部創造隱藏的熱瓶頸，並限制其性能。研究的作者之一、麻省理工學院核科學與工程副教授李明達指出：「我認為過熱已成為設備性能的真正瓶頸。」
更重要的是，研究人員開發出一種直接映射層狀材料內部熱量傳導幹擾的方法，這是傳統熱測量技術難以做到的。隨著工程師將越來越多的晶體管放入更小的空間，控制其產生的熱量變得越來越困難。這一問題在實際設備中尤其棘手，因為它們可能包含多層結構，熱量必須在這些層之間傳遞。儘管研究人員已經擁有測量熱傳輸的技術，但這些技術存在重要的限制。時間域熱反射等光學方法可以在小尺度上測量熱量，但主要提供整體光學信號，難以解析埋藏層內的熱傳輸。
新方法映射熱量傳導
麻省理工學院的研究人員通過將激光脈衝與超快 X 射線衍射相結合，來解決這一問題。他們使用激光快速加熱材料，然後利用 X 射線追蹤其晶格結構隨熱量擴散所發生的變化。這一方法之所以有效，是因為加熱晶體會使其原子略微移動，改變原子晶格的間距，從而產生可測量的 X 射線衍射變化。研究人員通過在不同位置和不同時間測量這些變化，重建熱量在材料中擴散的過程。X 射線提供了另一個關鍵優勢：它們可以探測層狀結構，而不僅僅依賴表面測量，這使得研究人員能夠檢查氮化鎵薄膜內的熱傳輸，並對氮化鎵-矽界面上的熱傳遞進行特徵分析。
研究人員對一層 500 納米厚的氮化鎵（GaN）在矽基板上的結構進行了測試。由於 GaN 能夠處理高電場和大功率，因而在高功率電子設備中具有潛力。在處理過程中，該薄膜出現了微小的缺陷，包括一條寬約 1 微米的皺紋。當研究人員掃描該缺陷時，發現熱傳輸的變化出乎意料地巨大。在皺紋附近，研究人員測得的局部熱導率為 21.2 ± 1.2 瓦特每米-開爾文，這一數值約為周圍 GaN 的四至五倍。
該缺陷還使 GaN 與矽之間的熱邊界導電性降低約 25％，降至約 2.12 × 10⁷瓦特每平方米-開爾文。
皺紋影響熱量擴散
然而，皺紋的影響不僅僅是減緩熱量的傳遞。研究人員還發現熱量在缺陷周圍以不對稱方式擴散。從一個方向接近皺紋的熱量，與從對面方向接近的熱量並不相同。這一結果顯示，局部缺陷可以將原本均勻的熱傳導路徑轉變為方向性的瓶頸。李明達提到：「當人們模擬熱散失時，通常會假設晶體是完美的，沒有缺陷，但這類大型皺紋缺陷在二維材料中非常常見，人們甚至未曾知道這些皺紋會阻擋多少熱量。
現在，我們可以通過這一技術直接觀察到這些現象。」
技術對電子設備的重要性
這項新技術提供了一種觀察熱量傳導效應的方法，而不是將其與周圍材料的行為進行平均。這種局部的熱導率和界面導電性的降低，可能促成熱點的形成，並潛在地影響電子設備的可靠性和使用壽命。研究人員相信，這一方法最終能幫助工程師識別造成電子設備過熱的微觀特徵。隨著計算能力被越來越多地壓縮到更小的區域，這一技術將變得格外寶貴，包括人工智能、高功率電子設備和柔性設備等硬件。
儘管目前該方法仍然是一種專業實驗室技術，需要先進的 X 射線設施，因此尚未能實際替代半導體製造中的常規熱測試。當前的演示同樣集中於氮化鎵-矽結構，而非完整的商業芯片。然而，研究人員認為該技術可以適應於其他材料和設備架構。已有半導體行業聯盟表示有興趣利用這一技術研究不同類型的芯片。最終，這項工作可能促使熱工程從將材料視為均勻的塊狀，轉向理解其實際控制熱量存留的微小缺陷和界面。
對於日益緊湊的電子設備而言，找到這些微小的瓶頸對於防止局部熱點成為性能限制至關重要。
該研究發表於《自然通訊》期刊上。
新技術如何改變熱管理策略
麻省理工學院的研究揭示了微小皺紋對電子設備熱導率的重大影響，這對當前高功率電子設備的設計至關重要。隨著晶體管密度的增加，熱管理成為性能瓶頸。研究人員的新技術不僅能夠精確測量熱傳導，還能揭示微觀缺陷的角色，這對於未來的電子設備設計和可靠性至關重要。隨著技術的進步，這一方法有潛力改變熱工程的傳統觀念，促進更有效的熱管理解決方案。